热固型环氧树脂对UHMWPE短纤纱织物的复合渗透研究

黄 强，宋新惠

(1.上汽大众汽车有限公司，上海 201805；2.苏州大学纺织与服装工程学院，江苏苏州 215006)

超高分子量聚乙烯纤维，英文缩写UHMWPE，是一种强度与碳纤维、芳纶纤维不相上下的高性能纤维，同时具有密度小( 密度为0.97 g/cm3) 、耐化学腐蚀、耐冲击、不吸水、耐低温、抗紫外线等优越性能。因此UHMWPE纤维是用于制备高强复合材料很好的增强材料。UHMWPE纤维因其优异性能和增强优势而被广泛应用在众多领域[1-4]。但是UHMWPE纤维存在热变形温度低、易燃、耐蠕变性能差、表面硬度低、纤维表面活性低等缺点，这些性能缺陷在一定程度上限制了UHMWPE纤维的应用及发展[5-8]。

UHMWPE在化学性质上表现不活泼。高度对称的非极性亚甲基形成的线性长链结构，使得纤维具有很高的结晶度和取向度，缺乏极性基团，且纤维分子间没有较强的分子间作用力，在生产中经高倍拉伸形成的高度结晶和高度取向导致表面光滑，纤维表面呈化学惰性和疏水性，难以与树脂形成化学结合。这些因素的共同作用使纤维的表面能很小，用作复合材料的增强材料时难以与基体树脂形成良好的界面粘接。所以，纤维与树脂难浸润就成为了UHMWPE纤维在复合材料制造中最大的问题。此外，还存在着熔体流动速率(MFR)极低(接近于0)、熔点高(190 ℃～210 ℃)、表面硬度低、热变形温度低、弯曲强度和耐蠕变性较差、抗磨粒磨损能力低等不利于制成复合材料的性能缺点。将其作为污水处理材料时，还存在吸水性差、易带静电、抗污染性能差等缺点[9-10]。

相关文献提出了对UHMWPE纤维表面进行物理和化学改良处理。溶胀结晶法、电晕改质处理、填充共混等物理方法主要是将UHMWPE纤维与其他一种或多种物料通过机械方式进行共混，使纤维表面产生凹凸不平的表面粗糙效应，以此来增加纤维与树脂之间的力学啮合能力，并增大纤维表面与树脂相结合的实际接触面积，从而提高了纤维与树脂基体的粘结强度[11-12]。

化学处理是为了让纤维表面产生能与树脂基体发生反应的活性基团，主要包括了化学交联和辐射交联两种。其中化学交联是采用引发剂直接引发单体在纤维表面的接枝，而辐射交联是通过辐射引发纤维表面的第二单体进行接枝聚合，并产生能够与基体紧密结合的缓冲层，从而改善纤维与基体界面的粘结性。常见的化学处理方法主要有硅烷偶联剂交联、酸腐蚀交联、过氧化物交联、辐射接枝处理、等离子处理等[13-16]。

本文以UHMWPE短纤维纱机织物为增强材料，对其作一种或二种改性处理，采用真空渗透制成热固型环氧树脂/UHMWPE复合板，通过体积占比和质量占比测算，研究树脂对增强材料的渗透性能。

1 试验

1.1 试验材料制备

1.1.1 UHMWPE纱织物制备

选用线密度1.21 dtex、长度38 mm的UHMWPE短纤维制成的纱线作经纬，按表1所示规格在小型剑杆试样织机上制成平纹组织机织物。

表1 UHMWPE纱织物及其改性方案

按表1对织物进行改性处理。处理前，先采用丙酮+超声处理3～5 h(每隔1 h翻样一次)，蒸馏水清洗，70 ℃烘燥10 h。平均清除杂质0.55%，经向收缩1.50%，纬向收缩1.12%。

(1)H2O2氧化改性：按质量比H2O2∶水=50∶50配置溶液，H2O2质量分数30% ，密度按 1.11 g/cm3计。样布置于溶液中超声振荡3 h(每隔 30 min翻样一次)，水洗5～10次，70 ℃烘燥10 h。

(2)H2O2氧化+偶联剂接合改性：先按上述方法对样品氧化改性，再选用KH550偶联剂和乙醇(C2H5OH)，按质量比偶联剂∶乙醇=5∶95配置混合溶液，其中KH550偶联剂密度按0.946 g/m3计、乙醇密度0.789 g/m3计。样布置于溶液中超声振荡3 h(每隔30 min翻样一次)，水洗5～10次，然后70 ℃烘燥10 h。

(3)电晕改性：电晕电压15 kV，样品正反面各电晕6次。

1.1.2 复合板条样制备

(1)选用热固型环氧树脂，按质量比为100∶27配置环氧树脂/固化剂混合液。混合液调匀，静置 5 min以上，无气泡。

(2)将上述织物剪成方向、大小相同的样品。将4块同号样品对齐、上下叠合。

(3)采用真空吸液法，使混合液缓慢、充分渗入叠合样品中。一次渗透试验控制在45～60 min。

(4)完成渗透后，在样布上方放置一块20～ 30 cm见方的钢板，再加重力砝码20～40 kg，时间12 h。

(5)揭去样品表面的分离布，重新覆上四氟乙烯薄膜和钢板，热压机轧压，压力20 MP，温度50 ℃，时间3～5 h。

(6)将复合板切割成120 mm×15 mm的条样，并在给湿研磨机上将四边磨平。

1.2 试验方法

(1)复合板面密度Ps测算：制备复合板之前，先测量并按公式(1)计算织物样品的面密度Ps，g/cm2，样号X1-4、X2的电晕处理有时效性，织物样品的Ps按改性前计算。

(1)

式中：M1为样品质量，g；l1、b1分别样品长、宽尺寸，cm。

(2)复合板条样面积S、体积V测算：测取复合板条样长度l2、宽度b2、厚度h2，测试次数为3～5，取平均值，分别按公式(2)、公式(3)计算条样面积S，cm2和体积V，cm3。

S=l2×b2

(2)

V=l2×b2×h2

(3)

式中：l2、b2、h2分别为复合板条样长度、宽度和厚度，cm。

(3)复合板条样中UHMWPE纤维质量M′与体积V′计算：按公式(4)计算条样中UHMWPE纤维的质量M′,g。按公式(5)计算条样中UHMWPE纤维所占体积V′,cm3。

M′=Ps×S

(4)

式中：Ps为复合板面密度g/cm2;S为复合板条样面积,cm2。

(5)

式中：G′为样品质量,g;Pv为UHMWPE纤维的单位体积质量，按0.97g/cm3计。

(4)复合板中环氧树脂体积占比εv、质量占比εM测算：按公式(6)计算复合板中UHMWPE纤维的体积占比εV。测量条样质量M，测试次数为3～5，取平均值，按公式(7)计算复合板中UHMWPE纤维的质量占比εM。

(6)

式中：V′为复合板条样中UHMWPE纤维体积,cm3；V为复合板条样体积,cm3。

(7)

式中：M′为复合板条样中UHMWPE纤维质量，g；M复合板条样质量,g。

2 结果与讨论

织物样品经处理制成复合板条样后相关测试与计算结果如表2所示。

表2 测试数据及计算结果

2.1 不同化学改性处理对UHMWPE织物的影响分析

从表2中UHMWPE织物面密度Ps值可以看出：

(1)H2O2氧化改性：Ps值由X1-1的0.0708 g/cm2下降为X1-2的0.0676 g/cm2，下降率为4.52%，说明氧化处理对纤维产生了一定的腐蚀作用;

(2)H2O2氧化+K550偶联剂接合改性：Ps值由X1-1的0.0708 g/cm2上升为X1-3的0.0717 g/cm2，若氧化部分的下降率按4.52%计，接合率为6.07%，说明先氧化后接合偶联剂产生了一定接合效果。

2.2 不同改性处理对环氧树脂体积占比的影响分析

从表2中复合板的环氧树脂体积占比εV值可以看出：

(1)H2O2氧化改性：εV值由X1-1的56.28%上升为X1-2的58.00%，上升率为3.09%，说明H2O2氧化对提高树脂体积渗透有一定效果。

(2)H2O2氧化+K550偶联剂接合改性：εV值由X1-1的56.28%上升为X1-3的59.00%，上升率为4.87%，与单独用H2O2氧化的3.09%相比，渗透效果比较明显。

(3)电晕改性：比较X1-1的εV值56.28%和X1-4的56.56%，基本接近，说明通过电晕提高树脂体积渗透的效果不明显。

2.3 不同改性处理对环氧树脂质量占比的影响分析

从表2中复合板的环氧树脂体积占比εM值可以看出：

(1)H2O2氧化改性：εM值由X1-1的58.68%上升为X1-2的62.37%，上升率为6.29%，说明H2O2氧化达到提高树脂质量渗透有较明显效果。

(2)H2O2氧化+K550偶联剂接合改性：εM值由X1-1的58.68%上升为X1-3的62.16%，上升率为5.93%，与单独用H2O2氧化相比，反而下降了，说明偶联剂接合并不能提高树脂的质量渗透。

(3)电晕改性：比较X1-1的εM值58.68%和X1-4的59.85%，基本接近，说明通过电晕提高树脂质量渗透的效果不明显。

2.4 织物增厚对树脂渗透的影响

复合板条样X1-1的Ps、εM和εM分别为 0.0708 g/cm2、56.26%和58.68%，复合板条样X2的Ps、εV和εM分别为0.1283 g/cm2、46.45%和45.90%，X2条样增厚了81.21%，但体积渗透率和质量渗透率分别下降了17.44%和21.78%，显然UHMWPE织物增强层的增厚，显著降低了树脂的渗透。

3 结论

(1)采用H2O2对UHMWPE织物有一定的氧化腐蚀作用，一定程度上有利于偶联剂的接合；

(2)H2O2氧化+K550偶联剂接合改性对树脂的体积渗透效果最为显著，但质量渗透不如直接H2O2氧化改性；

(3)电晕改性不能提高环氧树脂对UHMWPE织物的渗透；

(4)织物增厚反而降低树脂的渗透，因此理论上采用多层薄型UHMWPE织物更有利于树脂的渗透。

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